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KAIST, 1000배 응축된 빛 관측…고성능 광학소자 응용 기대

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한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 초미시 영역에서 1000배 넘게 응축된 빛을 관측하는데 성공했다.

KAIST는 장민석 전기 및 전자공학부 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 1000배 넘게 응축된 중적외선 파동 이미지를 세계 최초로 얻어냈다고 2일 밝혔다.

연구팀은 '그래핀 플라즈몬'을 이용했다. 그래핀 플라즈몬은 그래핀 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단 진동하는 현상이다. 이 플라즈몬들이 빛을 그래핀과 금속판 사이 얇은 유전체에 가둘 수 있다.

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조사된 레이저가 금과 그래핀 사이의 어쿠스틱 플라즈몬을 여기시키는 개념도

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그래핀-유전체-금속판 구조에서는 그래핀 전하들이 금속판에 '영상 전하(image charge)'를 만들게 되는데 그래핀 전자들이 진동하게 되면 영상 전하들도 잇따라 진동하게 된다. 이런 그래핀-유전체-금속판에서 집단 전자 진동을 '어쿠스틱' 그래핀 플라즈몬(AGP)이라고 한다.

AGP는 파동을 수 나노미터(㎚) 얇은 구조에 응집시키기 때문에 외부로 나오는 전자기장 세기가 약하다. 직접 광학 검출로는 존재를 밝혀내지 못했다.

장민석 교수와 메나브데 세르게이 박사 후 연구원은 '산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)'으로 도파로(도체로 만든 관)를 따라 진동하는 AGP를 직접 검출하고 중적외선 응축 현상을 시각화했다. 오상현 미네소타대 전자 및 컴퓨터 공학부 교수팀이 나노구조를 제작했다. 그래핀은 이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구단장팀이 합성했다.

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성과를 낸 KAIST 연구진. 장민석 교수(사진 오른쪽)와 세르게이 박사

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중적외선 영역 전자기파 주파수는 다양한 분자의 진동 주파수와 일치해 이들의 화학적, 물리적 성질을 연구하는데 중요하다. AGP를 중적외선 흡수 분광학에 적용하면 초고도 응축된 전자기장 분자와 빛의 상호작용을 크게 높일 수 있다. 한 개 분자로 작동하는 단분자 검출 기술을 가능하게 한다.

또 AGP 전자기장은 대부분 그래핀이 아닌 유전체층에 존재해 그래핀의 에너지 손실에 덜 민감하다. 고성능 소자 구현에 유리하다. 이번 연구는 그래핀 기반 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체하는데 도움을 준다.

장민석 교수는 “이번 연구를 통해 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬의 초고도로 응축된 전자기장을 근접장 측정을 통해 관측할 수 있었다”며 “앞으로 강한 물질-빛 상호작용이 필요한 다른 상황에서도 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 이용한 연구가 활발해지기를 기대한”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com

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